關(guān)于土滲透的研究綜述

鞠 揚(yáng) 張 卓

(上海理工大學(xué),上海 200082)

1 概述

土的滲透性是土力學(xué)中的一個(gè)重要課題，土木工程領(lǐng)域里很多工程問(wèn)題都和土的滲透性息息相關(guān)。水在土中的滲透會(huì)引起很多工程問(wèn)題，影響工程安全，耽誤工程進(jìn)度，造成效益損失。因此，研究土的滲透規(guī)律及其與工程的關(guān)系有著重要意義。

2 研究綜述

2.1 無(wú)黏性土滲透性的研究現(xiàn)狀

法國(guó)工程師H·達(dá)西(Darcy，1855)對(duì)均質(zhì)砂展開(kāi)了很多滲透試驗(yàn)，結(jié)果顯示層流條件下，土里水的滲流速度和能量損失之間關(guān)系的滲流規(guī)律，即為達(dá)西定律。廣大的研究學(xué)者們紛紛對(duì)無(wú)黏性土的滲透性展開(kāi)了大量研究，王小江，榮冠，周創(chuàng)兵[1]通過(guò)試驗(yàn)，研究了不同圍壓下粗砂巖變形破壞過(guò)程滲透性，并且進(jìn)行了相關(guān)理論分析，結(jié)論如下：在粗砂巖的變形滲透破壞過(guò)程中，軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變對(duì)滲透性的影響基本上呈階段性一致。環(huán)向應(yīng)變比軸向應(yīng)變更快偏離線彈性狀態(tài)，在塑性階段環(huán)向應(yīng)變?cè)黾拥乃俣缺容^快，由強(qiáng)度峰值到滲透性峰值，環(huán)向應(yīng)變的增加幅度約為軸向應(yīng)變?cè)黾臃鹊?.5倍～2.0倍。由此可見(jiàn)，滲透性對(duì)環(huán)向應(yīng)變的變化更為敏感。萬(wàn)力，蔣小偉，王旭升[2]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，證實(shí)了滲透系數(shù)隨深度衰減是不同類(lèi)型含水層的普遍規(guī)律。這種現(xiàn)象的根本原因在于巖體和地層的自重應(yīng)力隨著埋深的增加而增加。應(yīng)力的增加導(dǎo)致介質(zhì)被擠壓并且滲透性降低。王俊杰，盧孝志，邱珍峰，梁越[3]通過(guò)試驗(yàn)研究滲透系數(shù)與分級(jí)，顆粒形狀，干密度之間的關(guān)系，得出如下結(jié)論：粗顆粒土的滲透系數(shù)與顆粒大小分布，顆粒形狀和土壤干密度密切相關(guān)，相關(guān)性從強(qiáng)到弱。其次是顆粒分級(jí)，顆粒形狀，干密度。粗粒土滲透系數(shù)與d20和曲率系數(shù)Cc呈正相關(guān)，與干密度和顆粒球度呈負(fù)相關(guān)。崔自治，張群，彭博，崔永成，李媛媛[4]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土與黏性土復(fù)合能有效地改善砂土的抗?jié)B性，其效果明顯優(yōu)于膨潤(rùn)土單摻。就滲透系數(shù)來(lái)說(shuō)，最優(yōu)組合方式是膨潤(rùn)土摻量6%，黏砂比30%，含水量6%。上述因素對(duì)滲透系數(shù)影響的強(qiáng)弱順序?yàn)榕驖?rùn)土摻量、含水量、黏砂比。蘇立君，張宜建，王鐵行[5]試驗(yàn)得出對(duì)于單一顆粒尺寸范圍的砂巖，滲透系數(shù)隨著孔隙度的增加而線性增加，并隨著二次平均顆粒尺寸的增加而線性增加，特別是平均顆粒尺寸對(duì)滲透系數(shù)的影響大，平均粒徑的變化會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)的大小不同。對(duì)于天然砂，有效粒徑，孔隙率，曲率系數(shù)和非均勻系數(shù)都對(duì)滲透系數(shù)有一定的影響。這四個(gè)參數(shù)與滲透系數(shù)呈良好的線性正相關(guān)。袁濤，蔣中明，劉德謙，熊小虎[6]研究粗土粒滲透損傷條件下壓縮變形特性后，發(fā)現(xiàn)滲透損傷的過(guò)程是從顆粒出現(xiàn)遷移開(kāi)始，到試樣破壞結(jié)束為止。試樣土體結(jié)構(gòu)損傷會(huì)導(dǎo)致孔隙比和滲透系數(shù)增大。試樣滲流作用的前后，壓縮模量的變化能夠定量描述由砂礫石土體滲透變形而導(dǎo)致的骨架滲透損傷。楊仲德，陳冠，孟興民，陳璽，張毅，王思源[7]研究發(fā)現(xiàn)造成滑坡體不同部位滲透性能差異的原因主要是土體顆粒級(jí)配和密實(shí)度狀態(tài)的不同。與滑坡體中、前緣相比，滑坡體后緣粗顆粒含量較高，且粗、細(xì)顆粒含量極不均衡，導(dǎo)致粗顆粒間的孔隙不能被有效填充，故滲透系數(shù)較高。何書(shū)，鮮木斯艷·阿布迪克依木，戎慧敏，韓旭，王偉中，汪鑫[8]實(shí)驗(yàn)分析得出，含粉粒的粗粒土在很長(zhǎng)時(shí)間的滲透過(guò)程里，因?yàn)榘钡x子吸附或者顆粒遷移，都會(huì)引起滲透系數(shù)不同程度的變化；下游孔隙的堵塞主要是由顆粒遷移引起的，引起滲透系數(shù)隨時(shí)間逐漸降低；土顆粒對(duì)氨氮離子的吸附，使得土顆粒表面水化膜厚度產(chǎn)生了壓縮，滲透系數(shù)隨滲透時(shí)間增加。孔令偉，李新明，田湖南[9]利用常規(guī)滲透儀進(jìn)行了不同細(xì)粒含量砂土的滲透實(shí)驗(yàn)，砂土滲透系數(shù)的細(xì)粒效應(yīng)很明顯，滲透系數(shù)隨著細(xì)粒的增加而降低。細(xì)粒含量低于5%時(shí)，效果不明顯；細(xì)粒含量在5%～10%時(shí)，滲透系數(shù)隨著細(xì)粒含量的增加急劇下降。當(dāng)細(xì)粒含量超過(guò)25%時(shí)，砂土的滲透系數(shù)趨于相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 黏性土滲透性的研究現(xiàn)狀

王鐵行，盧靖，張建峰[10]通過(guò)對(duì)不同干密度的壓實(shí)黃土土樣進(jìn)行水平土柱入滲法測(cè)試，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨著體積含水量的增大而單調(diào)加速增大，密實(shí)黃土的滲透系數(shù)對(duì)于密度的變化比較敏感。陳宗先，何翔，熊云山，王銳[11]通過(guò)對(duì)比分析黏性土滲透系數(shù)k與孔隙比e的3種關(guān)于lgk-lge，lgk-lg(1+e),lgk-e半對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線圖以及對(duì)應(yīng)關(guān)系書(shū)，得出滲透系數(shù)與孔隙比呈直線關(guān)系，lgk-lge的線性相關(guān)性最顯著。李萍，李同錄，王紅，梁燕[12]用Childs & Collis-Geroge來(lái)預(yù)測(cè)非飽和黃土的滲透系數(shù)模型，推出了非飽和黃土的滲透系數(shù)與體積含水量以及基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。結(jié)果顯示黃土從飽和到非飽和的滲透系數(shù)迅速下降，非飽和黃土滲透系數(shù)與體積含水量以及基質(zhì)吸力之間的關(guān)系都可以用指數(shù)函數(shù)來(lái)表示。凌華，張勝，敖大華，王芳，韓華強(qiáng)[13]將復(fù)雜應(yīng)力條件下土體的滲透性試驗(yàn)在中型三軸儀器上進(jìn)行。在相同的應(yīng)力條件下，顆粒和黏土的含量越高，土壤的滲透系數(shù)越小，表明分級(jí)是影響土壤滲透系數(shù)的重要因素。隨著圍壓和應(yīng)力水平的提高，土壤材料的滲透系數(shù)逐漸降低。粉末和黏土含量越低，大顆粒含量越高，圍壓對(duì)土體滲透系數(shù)的影響越顯著。對(duì)于密度相同的不同層次樣品，應(yīng)力水平對(duì)滲透系數(shù)的影響基本相同。鄒圣鋒，李金柱，王忠瑾，蘭璐，王文軍，謝新宇[14]用GDS滲透儀對(duì)寧波粉質(zhì)黏土進(jìn)行了恒定壓頭試驗(yàn)，得出結(jié)論：寧波軟土的滲透系數(shù)隨孔隙比的減小而減小，重塑樣品下降更明顯;重塑樣品和原始樣品測(cè)試結(jié)果顯示，目前廣泛使用的幾種滲透模型基本符合。提出了以lg[kv(1+e)]～e為參數(shù)的滲透模型，能夠較好的用來(lái)描述寧波軟土的滲透系數(shù)和孔隙比之間的非線性變化關(guān)系。周葆春，孔令偉，郭愛(ài)國(guó)[15]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土的滲透系數(shù)非常小，量級(jí)為10-8cm/s～10-9cm/s，隨著干密度的增長(zhǎng)而下降，能夠用冪函數(shù)的形式來(lái)描述k和ρd的關(guān)系。石灰土的滲透系數(shù)比較小,也伴隨著干密度的增長(zhǎng)而下降，但卻大于同一壓實(shí)度時(shí)膨脹土的滲透系數(shù)；當(dāng)干密度相近時(shí)，兩種土的滲透系數(shù)也接近。

3 總結(jié)與展望

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土的滲透性主要與土的孔隙率，顆粒級(jí)配，物理狀態(tài)，滲透液的密度，粘度有關(guān)。不同種類(lèi)土的滲透性差異明顯，無(wú)黏性土和黏性土在滲透性上的差異也大相徑庭，與上述參量之間的相關(guān)性，敏感度也有很大不同。因此，在研究不同種類(lèi)土的滲透性時(shí)應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)方法，數(shù)據(jù)參量采用的特殊性。此外，對(duì)于兩種甚至多種組分的混合土的研究案例目前而言仍相對(duì)較少，以待往后眾位學(xué)者進(jìn)行更深入，更全面，更具體的研究和探討。